Base cellulare della vita

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1 Base cellulare della vita Prof.ssa Flavia Frabetti La cellula è l unità strutturale e funzionale degli organismi viventi 1

2 BASE CELLULARE DELLA VITA Teoria cellulare (Schleiden e Schwann 1839; Virchow 1859): tutti i viventi sono costituiti di cellule le cellule sono unità in cui avvengono i processi vitali ogni cellula deriva da un altra cellula, capacità riproduttiva La cellula come UNITA CONCETTUALE dei viventi come l atomo lo è della materia CELLULA come UNITA SINGOLA come UNITA ELEMENTARE ORGANISMI UNICELLULARI ORGANISMI PLURICELLULARI 2

3 ORIGINE DELLA VITA tappe fondamentali Evoluzione pre-biotica o evoluzione chimica: dalle piccole molecole alle grandi, ai complessi sovramolecolari quali le membrane. Merito:preparare l ambiente idoneo allo sviluppo della vita. Probabile comparsa di protogenomi a RNA. Evoluzione biotica o evoluzione cellulare: dal progenota con rudimentali attività vitali al differenziarsi prima di organismi unicellulari fino alla immensa diversificazione con modificazioni della organizzazione strutturale e funzionale e l avvento di organismi pluricellulari. ORIGINE DELLA VITA - salti evolutivi successivi 1- I progenoti simili alle più semplici organizzazioni cellulari dei procarioti, avrebbero avuto origine per primi PROVA: Primi fossili mai ritrovati La più antica testimonianza di vita sulla Terra: simili a cianobatteri filamentosi 3,5 x10 9 anni Primi eucarioti: 2.1 e 1.8 miliardi di anni fa 3

4 2- I procarioti avrebbero dato origine alle cellule eucariotiche Procarioti Eucarioti Transizione evolutiva dovuta alla comparsa di: COMPARTIMENTAZIONI INTRACELLULARI Organismo unicellulare Organismo pluricellulare Transizione caratterizzata da: DIFFERENZIAMENTO INTEGRAZIONE FUNZIONALE Come nasce, in senso evolutivo, la compartimentazione endocellulare: IPOTESI CONVINCENTI 1 2 Endosimbiosi: endocitosi e associazione interattiva con mutuo beneficio predatore Origine degli eucarioti attuali 4

5 COMPARTIMENTAZIONI INTRACELLULARI 1 Nucleo e reticolo endoplasmatico COMPARSA GRADUALE 2 Mitocondri TEORIA ENDOSIMBIONTICA 1967 Cloroplasti ORIGINE DELLA VITA - salti evolutivi successivi Procarioti Eucarioti Transizione evolutiva dovuta alla comparsa di: COMPARTIMENTAZIONI INTRACELLULARI Organismo unicellulare Organismo pluricellulare Transizione caratterizzata da: DIFFERENZIAMENTO INTEGRAZIONE FUNZIONALE 5

6 ALLO STATO ISOLATO LE CELLULE POSSONO RAGGIUNGERE UNA COMPLESSITA STRUTTURALE E FUNZIONALE INCREDIBILE I PROTISTI: ORGANISMI UNICELLULARI EUCARIOTICI Es. setole sensoriali, fotorecettori, apparti buccali, dardi pungenti, fasci contrattili PLURICELLULARITA : - DIFFERENZIAMENTO di forme, ma anche ad una semplificazione funzionale - INTEGRAZIONE FUNZIONALE 6

7 Due distinte classi di cellule: cellula EUCARIOTA PROCARIOTA pro-káryon, quindi senza una carioteca o nucleo cellula PROCARIOTA EUCARIOTA eu- Káryon, quindi con una carioteca o nucleo ben organizzato delimitato dalla membrana nucleare Caratteristica Procariote Eucariote Nucleo assente presente Diametro cell. 1 µm µm Citoscheletro assente presente Organelli citoplasmatici Contenuto in DNA (bp) Cromosomi assenti presenti 1x10 6 5x10 6 1,5 x10 7 5x10 9 Unica molecola di DNA circolare Molecole multiple di DNA lineare 7

8 CELLULA PROCARIOTE ribosomi mesosomi inclusioni DNA flagello fimbrie parete cellulare membrana Caratteri condivisi: membrana plasmatica nucleoide (DNA) citosol con ribosomi Strutture specializzate: parete cellulare (peptidoglicano) membrana esterna alla parete capsula o glicocalice mesosomi flagelli (movimento) pili (accoppiamento) DIFFERENTI FORME Cocchi Bacilli I più Spirochete piccoli DIFFERENTI METABOLISMI DIFFERENTI METABOLISMI SVILUPPATI IN AMBIENTI DIVERSIFICATI, anche nell uomo 8

9 COME SPIEGARE QUESTO SUCCESSO? Rapidità della divisione cellulare, circa 30 min per duplicazione in 11 ore si raggiunge il numero della popolazione mondiale umana Diversità metaboliche Formazione di forme cellulari resistenti ORDINE ED ORGANIZZAZIONE STRUTTURALE Strutture Funzioni INTEGRAZIONE FUNZIONALE TRA LE PARTI Unità Diversità Cellule diverse per: Posizione reciproca degli organuli Dimensioni e volume occupato Numerosità relativa degli stessi 9

10 CELLULE - GENERALITA DIMENSIONI delle CELLULE Unità di misura : micrometro o micron (µm) 1 µm = 10-3 mm = 10-6 m Le cellule umane hanno un diametro compreso tra 10 e 100 µm con alcune eccezioni: 7 µm 130 µm Nel corso dell evoluzione si sono mantenute dimensioni cellulari ridotte perché? per la necessità di mantenere un rapporto ottimale con l ambiente da cui vengono le risorse nutritive. Più grande è la cellula, minore diventa il rapporto S/V!!! Limite superiore: mantenere un corretto ed ottimale rapporto tra S/V Limite inferiore: riuscire a contenere il materiale genetico Stratagemmi cellulari evolutivi nella cellula eucariotica: 1- grande sviluppo di membrane interne 2- maggiore compartimentazione del citoplasma 3- divisione cellulare (maggiori dimensioni date da più cellule) 10

11 FORMA delle CELLULE Alcune cellule NON posseggono una forma stabile Altre mantengono la stessa forma per tutto l arco vitale La forma cellulare è condizionata da: 1. Funzione svolta 2. Tensione superficiale dei liquidi interni (forma sferica delle cellule isolate) 3. Presenza di una parete cellulare esterna (es. cellule vegetali) 4. Organizzazione tissutale e giunzioni cellula-cellula La centrifugazione: tecnica fondamentale in biologia cellulare Si tratta di separare, isolare al fine di purificare i componenti cellulari Principio: In un campo centrifugo le particelle possono essere separate poiché sedimentano con velocità diversa a seconda delle diverse caratteristiche di densità, dimensione e forma. 11

12 Rottura delle strutture contenitive per ottenere un OMOGENATO cellulare: omogenizzatore e sonicatore. Poi si procede a: Centrifugazione differenziale Centrifugazione all equilibrio di densità Centrifughe Omogenato filtrato Centrifugazione differenzialesep. in base alla dimensione e densità Si formano 2 frazioni: pellet e supernatante Nuclei ( g per 10 ) Mitocondri, lisosomi, perissosomi ( g per 10 ) Reticolo endoplasmatico rugoso ( g per 1 h) Membrane plasmatiche e REL ( g per ca. 2 h) Ribosomi ( g per 2 h) 12

13 Centrifugazione zonale Centrifugazione all equilibrio Centrifugazione all equilibrio su gradiente di densità - può fornire frazioni cellulari pure Stratificazione su gradiente di saccarosio per gli organelli 1,1-1,3g/cm 3 (saccarosio M); stratificazione su gradiente di cloruro di cesio per il DNA Organuli o particelle che intervengono nella trasmissione delle informazioni nucleo = coordina tutte le attività cellulari attraverso il controllo della sintesi delle proteine, contiene l informazione o programma genetico o genoma ribosomi = rappresentano la sede cellulare in cui avviene la sintesi proteica 13

14 Microambiente del nucleo La cellula eucariotica Il nucleo Microambiente condizionante le attività citoplasmatiche cellulari INVOLUCRO NUCLEARE 1. doppia membrana 20-40nm (1nm= 10-9 m) 2. la m. interna permette aggancio ad una lamina nucleare, fitta rete di proteine dette lamìne, filamenti intermedi, che crea un supporto meccanico al nucleo (progeria o Hutchinson-Gilford mutazione gene lamìna A). 3. i pori nucleari sono delle porte/barriere attraverso cui passano sostanze nei 2 sensi TRASPORTO SELETTIVO 14

15 citoplasma gabbia nucleare nucleo STRUTTURA DEL PORO pori per nucleo cellulare Complesso di proteine diverse Dimensione complessiva 120nm Asimmetrico sui 2 lati (nuclare e citoplasmatico) Ampio canale centrale e simmetria radiale ottagonale Diametro deformabile da 9 a 26 o 40 nm secondo i testi foto al microscopio eletronico Reticolo endoplasmatico Membrana nucleare ext Spazio perinucleare Membrana nucleare int. Lamina nucleare NUCLEO Complesso del poro TRASPORTO SELETTIVO CITOPLASMA Ioni, piccole molecole Proteine, snrnps RNAs/RNPs Diffusione passiva Trasporto mediato energia dipendente RNPs sta per ribonucleoproteine (subunità ribosomiali) snrnps sta per small nuclear ribonucleoproteine (spliceosoma) 15

16 Lamina nucleare reticolo endoplasmatico Nucleolo: sito di trascrizione dell rrna e di assemblaggio dei ribosomi. (NB: Una cellula in crescita attiva riesce a produrre ribosomi al min) cromatina m. nucleare interna m. nucleare esterna cromatina nucleolo Nucleolo: 1) Trascrizione rdna, regione dell organizzazione nucleolare (NOR) 2) Maturazione rrna da un unico trascritto che viene escisso e in alcuni nucleotidi modificato da snornp (small nucleolar RiboNucleoProteins) 3) Assemblaggio rrna e proteine per dare le due subunità ribosomiali 16

17 NUCLEO Nel nucleo è contenuta la maggior parte del DNA cellulare, l informazione genetica. Il nucleo non è un semplice contenitore di DNA, RNA, proteine, ma organizza il materiale genetico nucleo di una cell.che non si divide nucleo interfasico contenente CROMATINA (sostanza colorata) nuclei in divisione CROMOSOMI (corpi colorati) la cromatina si condensa in cromosomi durante la mitosi La cromatina è un complesso sovramolecolare di acidi nucleici (DNA/RNA) e proteine Struttura altamente dinamica il cui grado di organizzazione ovvero compattazione o condensazione varia 1. da cellula a cellula, 2. durante il ciclo vitale della cellula, 3. tra zone diverse dei nuclei interfasici Eucromatina Eterocromatina 17

18 Eucromatina = ( vera cromatina ) dispersa, debolmente colorata, attivamente espressa cioè trascrivibile. Eterocromatina = ( cromatina diversa ) molto compattata, colorata marcatamente, ed inattiva cioè non trascrivibile. Può essere però di 2 tipi: eterocromatina costitutiva sequenze mai trascritte eterocromatina facoltativa sequenze non trascritte in alcune cellule, varia secondo l attività trascrizionale del tipo cellulare. Compattazione della informazione nucleo cromosoma telomero centromero Protezione della informazione DNA istoni telomero proteine acide Accessibilità regolata alla informazione 18

19 Breve parentesi.. REGOLAZIONE dell ESPRESSIONE GENETICA DNA RNA proteine trascrizione della informazione traduzione della informazione breve regione di DNA (2nm) cromatina a collana di perle (10nm) fibre di cromatina di (30 nm): nucleosomi impaccati domini ad ansa legati ad un supporto proteico (300nm) riavvolgimento ulteriore(700nm) cromosoma in metafase scaffold proteico core = ottamero istonico nucleosoma 19

20 Le proteine principali della cromatina sono gli istoni, piccole proteine basiche. Gli istoni sono di 5 tipi: H 1, H 2A, H 2B, H 3 ed H 4. L unità strutturale e funzionale della cromatina: il NUCLEOSOMA Fibre di cromatina Fibre di 30 nm Fibre di 10 nm NO TRASCRIZIONE GENICA TRASCRIZIONE GENICA POSSIBILE 20

21 La cromatina deve la sua funzione alla sua stessa complessa organizzazione ed alla sua capacità di modificarsi nello SPAZIO e nel TEMPO 1) I nucleosomi devono essere necessariamente strutture dinamiche 2) Vi sono fattori proteici nucleari che possono aumentare o diminuire la natura dinamica di tale complesso 3) La cellula regola in modo preciso nello SPAZIO e nel TEMPO tali strutture: regolazione genica pre-trascrizionale La interazione DNA e istoni è DINAMICA 1) I COMPLESSI DI RIMODELLAMENTO Grossi complessi proteici che agiscono sulla stabilità dell interazione dell ottamero proteico con il DNA e possono facilitare il movimento dei nucleosomi. nucleosomi standard Agiscono attraverso riarrangiamento non covalente dei nucleosomi 21

22 La interazione DNA e istoni è DINAMICA 2) COMPLESSI PROTEICI ENZIMATICI CHE MODIFICANO CHIMICAMENTE LE CODE N-terminali DEGLI ISTONI Le principali modificazioni chimiche degli istoni sono: acetilazione di lisine metilazione di lisine fosforilazione di serine aggiunta di ubiquitina modificazioni post-traduzionali Acetilazione(CH 3 CO-) in lys degli istoni HAT istone acetil-transferasi HDAC istone deacetilasi code istoniche aa lys utile alla modificazione chimica Istoni non acetilati Istoni acetilati L acetilazione tende a destabilizzare la struttura della cromatina rendendola trascrivibile 22

23 code N-terminale modifica significato H3 H4 Questo è un codice!!! Il codice istonico Il codice istonico Il codice degli istoni sarebbe un codice epigenetico riconosciuto da specifiche proteine Il codice dei NUCLEOSOMI Il CODICE NUCLEOSOMICO sarebbe determinato dallo stato dei nucleosomi, rimodellati o meno ed anche dalla posizione reciproca degli stessi 23

24 Tutti questi sono nuovi codici. Epigenetico: ereditabile (dalla cellula madre alla cellula figlia, talvolta da genitore a figlio), ma NON prodotto direttamente da un cambiamento nella sequenza di DNA. ARCHITETTURA DEL NUCLEO INTERFASICO: Domanda: durante l interfase quando non possiamo vedere i cromosomi nella loro struttura, questi sono organizzati spazialmente in un modo preciso o casuale? Domanda: ci può essere un effetto posizione o codice posizionale (insieme di regole) nella organizzazione del materiale genetico nel nucleo che possa influire sulla funzione informativa? 24

25 Topologia Tridimensionale del genoma Ipotesi dei TERRITORI CROMOSOMICI Modello dei territori cromosomici Modello distribuzione casuale Alcune evidenze sperimentali: Nuclei di fegato di topo cromosoma 12 (rosso) cromosoma 14 (verde) cromosoma 15 (blu). Nuclei di fibroblasti umani tutti i cromosomi visualizzati contestualmente. 25

26 NUOVI CODICI INFORMATIVI non legati a sequenze nucleotidiche: Codice istonico Codice nucleosomico Codice posizionale EPIGENOMA: Le cellule somatiche hanno tutte genomi identici, ma i vari tipi cellulari hanno epigenomi diversi, non per sequenza primaria che li compone, ma per grado di metilazione, per corredo di proteine istoniche, e per le diverse architetture nucleari. RIBOSOMI ruolo chiave nella SINTESI delle PROTEINE Liberi nel citoplasma (polisomi) o associati alla m. nucleare esterna o al RE (RER) Particelle costituite da: rrna proteine funzione catalitica aumentano la funzionalità degli rrna 26

27 RIBOSOMI RIBOSOMA EUCARIOTICO rrna Il diametro in media di un ribosoma eucariotico è di 30 nm. N.B. i valori S unità Svedberg si riferiscono alla loro velocità di sedimentazione in una ultracentrifuga proteine ribosomiali 40 S 18 S ~ 30 60S 28 S 5,8 S 5 S ~ 50 RIBOSOMA PROCARIOTICO: più piccolo subunità rispettivamente di 30 S e 50 S Organuli coinvolti nelle trasformazioni energetiche mitocondri = organuli coinvolti nelle trasformazioni energetiche con ruolo cruciale nella generazione di energia metabolica. Energia derivata dalla demolizione di carboidrati e acidi grassi convertita in ATP 27

28 MITOCONDRI sono in numero correlato alla attività metabolica della cellula: Da pochi a sono plastici (cambiano forma) e sono mobili nella cellula sono associati ai microtubuli del citoscheletro e distribuiti in modo vario nei diversi tipi cellulari dimensioni tipiche di una cell procariota 1,5 µm x 2-8 µm MITOCONDRI organuli semi-autonomi Caratteristiche: - DNA circolare (mtdna) con codice proprio - ribosomi propri capaci di riprodursi all interno della cellula capaci di sintesi autonoma di alcune proteine ipotesi di una origine ENDO-SIMBIONTICA 28

29 DNA mitocondriale Copie multiple di DNA (circolare) Genoma mitocondriale umano 16,5 Kb 37 geni 2 geni per gli rrna 22 geni per gli trna 13 geni che codificano per proteine* * questa è una porzione minima rispetto alla totalità delle proteine mitocondriali, le altre sono importate dal citoplasma 29

30 Genoma mitocondriale umano altre informazioni EREDITA CITOPLASMATICA MATERNA ovvero il genoma mitocondriale sembra per lo più ereditato per via materna all atto della fecondazione. EREDITA MATRILINEARE. Diverse patologie genetiche correlabili ad alterazioni nel DNA mitocondriale es. neuropatia ottica ereditaria di Leber FUNZIONE siti della RESPIRAZIONE CELLULARE complesso di reazioni chimiche che realizzano il completo catabolismo di zuccheri e lipidi ad opera dell O 2 con produzione di energia, ATP. P P P 5 ADENINA ATP ADENOSINTRIFOSFATO 4 RIBOSIO 1 ATP

31 Metabolismo ossidativo di: Grassi Zuccheri Proteine zuccheri lipidi proteine glucosio glicolisi 6 ATP 2 Piruvato ossidazione 6 ATP 2 Acetil-CoA Ciclo acido citrico 24 ATP 6 CO 2 31

32 Sistema delle membrane interne comprendente: membrana nucleare reticolo liscio e rugoso apparato di Golgi lisosomi perossisomi vacuoli ecc. complesso sistema endo-cellulare di compartimenti collegati direttamente o tramite vescicole di trasporto sebbene la struttura base delle membrane sia unica, differenze notevoli di composizione si ripercuotono nel comportamento metabolico e funzionale degli organuli RETICOLO ENDOPLASMATICO 1/2 MEMBRANE TOTALI Estesa rete interconnessa di tubuli e sacche membranose dette CISTERNE spazi interni IN CONTINUITA tra loro e con lo spazio tra le 2 membrane del nucleo RE rugoso (RER) RE liscio (REL) RER Rapporto REL / RER è dinamico varia nel tempo e nello spazio REL lume 32

33 Organelli Citoplasmatici Circondati da Membrana Reticolo Endoplasmatico Rugoso Produzione proteine: di membrana da esocitare Complesso di Golgi Modificazione proteine: Glicosilazione RETICOLO ENDOPLASMATICO FUNZIONI RER REL sintesi delle proteine destinate alla secrezione o alla membrana aggiunta di oligosaccaridi a proteine con formazione di glicoproteine sintesi di fosfolipidi detossificazione di farmaci e veleni metabolismo carboidrati sequestro ioni Ca 2+ sintesi di lipidi, orm. steroidei sintesi di nuova membrana 33

34 L apparato di Golgi Faccia di formazione Sintesi di carboidrati Faccia di maturazione Stazione di smistamento e spedizione prodotti del ER FUNZIONE impianto di lavorazione RICEZIONE (dal RE) MODIFICHE SMISTAMENTO SPEDIZIONE (segnali) MP LISOSOMI ESTERNO alla parte oligosaccaridica di molte glicoproteine + SINTESI POLISACCARIDI + COMPLETAMENTO GLICOLIPIDI E SFINGOMIELINE 34

35 Schema: rapporti tra RE Golgi e secrezione nucleo RER Destino proteine RNA REL Golgi citosol 35

36 LISOSOMI vescicole contenenti enzimi idrolitici, sistema digestivo della cellula che elimina: 1) materiale assunto dall esterno 2) componenti cellulari obsoleti nota: esistono almeno 40 diverse malattie genetiche da accumulo lisosomale dovute ad alterazione dei geni che specificano per gli E Idrolasi acide (una pompa protonica ATP-dip. realizza emantiene ph4-5): Nucleasi Proteasi Glicosidasi Lipasi Fosfatasi Fosfolipasi Lisosomi con enzimi attivi grazie al calo del ph Lisosomi secondario tardivo contatto con materiale da eliminare Lisosomi primari derivati dal Golgi 36

37 Il citoscheletro struttura dinamica ed adattabile Movimenti superficiali Sostegno strutturale Ruolo organizzativo Resistenza meccanica Filamenti di actina (o microfilamenti) strutture più flessibili ( 5-7nm) Microtubuli strutture tubulari cave e rigide ( 25nm) Filamenti intermedi strutture flessibili capacità di estensione ( 10nm) Il citoscheletro si riorganizza continuamente quando la cellula cambia forma si divide Filamenti di actina Microtubuli 37

38 CONCLUSIONI Perché l evoluzione ha consentito l affermarsi della cellula come unità e non un enorme organismo unicellulare? Ciò ci fa ragionare su: 1) natura modulare degli organismi 2) presenza di una copia del patrimonio genetico in ogni cellula dell organismo Perché la cellula? Quali strategie? Consentire una selettività/specificità nei contenuti Incredibile grado di conservazione in strutture e meccanismi Confinare i processi metabolici differenti e le proteine in compartimenti diversi: compartimenti specializzati ed integrazione tra essi Consentire l azione localizzata di complessi multienzimatici dinamici 38